沿海電廠溫排水環(huán)境影響及取水溫升分析

郝青哲，賈路，劉哲，李京貿(mào)

（華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北省保定市，071003）

0 引言

由于提供熱機(jī)冷源和各種冷卻的需要，電廠需用大量的冷卻水連續(xù)供應(yīng)。電廠的熱效率比較低，大量的熱量通過(guò)冷卻水散失于周圍環(huán)境。一般由冷卻水帶走的能量為發(fā)電量的1.4（火電）～2.5倍（核電），從而引起相應(yīng)的環(huán)境問(wèn)題。溫排水對(duì)取水溫升的影響，直接關(guān)系到電廠機(jī)組效率和燃料消耗率，水溫超過(guò)一定限度，還將強(qiáng)迫降低負(fù)荷，成為機(jī)組安全滿發(fā)的巨大障礙[1-3]。優(yōu)化取排水布置，對(duì)防止環(huán)境污染和提高經(jīng)濟(jì)性具有現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[4-5]對(duì)溫排水預(yù)測(cè)的理論依據(jù)、思想方法及數(shù)學(xué)模型等作了比較系統(tǒng)的論述；文獻(xiàn)[6]以淺水方程以及相應(yīng)的定解條件為模型，采用交替方向隱式差分方法，計(jì)算了擬建篙嶼電廠溫排水及廢水排入水體后在附近海域的溫度分布及濃度分布；文獻(xiàn)[7]對(duì)青島市黃島發(fā)電廠溫排水工程進(jìn)行了模擬計(jì)算；文獻(xiàn)[8]給出了三亞電廠溫排水各個(gè)方案的溫升特征值；文獻(xiàn)[9]利用二維有限體積法計(jì)算了?？诨痣姀S溫排水對(duì)海域環(huán)境的影響。本文主要研究溫排水與工程布置的關(guān)系，即不同溫排水布置對(duì)取水溫升值大小的影響。首先運(yùn)用Gambit建立3維水槽模型，分別計(jì)算了差位式與重疊式布置方式下的溫度場(chǎng)，分析取水溫升及環(huán)境影響，得出適合于沿海電廠冷卻水工程的布置方式。

1 差位式布置及其數(shù)值模擬

1.1 差位式布置

差位式布置將取排水口間距從隨水流方向的縱向間距，轉(zhuǎn)移到垂直水流方向的法向間距上來(lái)，利用法向間距，造成冷、熱水流流動(dòng)途徑的分開(kāi)，即由排水口排放的熱水和抽入取水口的冷水各有其流動(dòng)的范圍，出現(xiàn)基本上互不干涉的熱水流道和冷水流道。取排水口差位式布置的三維物理模型如圖1所示。圖中：QU為上游來(lái)水流量；B為河道寬度；l為取排水口沿水流的垂向距離；H為河道寬度；h1為排水口高度；bl為排水口寬度；Ql為排水流量；Tl為排水溫度（密度ρ1）；h2為取水口高度；b2為取水口寬度；Q2為取水流量；T2為取水溫度（密度ρ2）；s為出水淹沒(méi)水深；d為底檻高度；Δz為垂直間距。

溫排水對(duì)環(huán)境的影響，主要由取水溫升值及周圍溫升包絡(luò)線值決定。影響T2的主要因素為：

（1）取排水口條件。取排水口水平間距ΔL（差位式ΔL=0）、Δz、hl、bl、Ql、Tl、h2、b2、Q2、l、s、d以及取排水口與河道的銜接型式。

（2）水面氣象條件。綜合散熱系數(shù)K，自然水溫T∞（密度ρ∞）[10]。

由于T2涉及因子太多，為了研究方便，盡量減少某些不太重要的物理量的變化，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，進(jìn)行如下假定：（1）取排水口管徑尺寸相同；（2）排水口水平銜接出流，s≈0，d=0；（3）無(wú)額外取水要求Ql=Q2= Q0，其中Q0為來(lái)流流速?？紤]到環(huán)境水溫及排水水溫的變化，T2一般取用無(wú)量綱量η來(lái)度量，η為取水相對(duì)溫升比，定義為

1.2 模型建立

使用Gambit建立三維模型，x、y、z分別為水域長(zhǎng)度、深度及寬度；設(shè)x方向?yàn)樗鞣较?；取排水管道管徑?.3m，取排水管橫向間距Δx=10m，縱向管間距Δy=4m。

設(shè)取水口速度與排水速度相同，即v=4m/s，上游來(lái)流流速U=0.5m/s；排水溫度為299.8 K；環(huán)境溫度為283 K；自由液面采用鋼蓋假定，即水深和液面不隨時(shí)間變化，設(shè)定其綜合散熱系數(shù)K。

采用分離求解器的隱式解法，一階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散；壓力和速度耦合采用Simple算法；密度采用Boussinesq近似，指定密度常數(shù)值為無(wú)窮遠(yuǎn)處密度值ρ∞；近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，其中松弛因子和收斂條件保持默認(rèn)值不變。

取排水橫向截面溫度場(chǎng)如圖2所示（圖中單位為K），流場(chǎng)分布如圖3所示。溫排水對(duì)左側(cè)下游區(qū)域熱影響大于上游；而取水口布置于排水口右側(cè)，溫排水逆流至上游，再經(jīng)過(guò)下滲熱擴(kuò)散作用，從而影響到取水溫度的取值。

結(jié)合圖3水平流場(chǎng)分布可看出，溫排水有2個(gè)去向，一部分隨著來(lái)流流向下游（左側(cè)），一部分則逆流至取水口；取水口附近可以明顯地看出有熱冷水交匯，上游冷水加上左側(cè)熱水回流使得取水溫度上升，從而降低機(jī)組真空值。

1.3 差位式布置對(duì)取水溫升的影響

1.3.1 取排水管深度差的影響

設(shè)Δy為排水管深度差，水域的總水深不變，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析取水溫升值的變化情況。η隨Δy變化的曲線如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)Δy由4增至5時(shí)，η迅速降低；而Δy由5增至6時(shí)，η的變化非常小，Δy繼續(xù)增大，η已不再變化。此時(shí)，取排水臨界深度差Δycr=5。超過(guò)臨界值Δycr以后，冷卻水溫度降低不明顯，還會(huì)造成不必要的工程浪費(fèi)。

1.3.2 取排水管管徑的影響

Δy固定不變，改變模型中的取排水管道管徑R，其他條件不變，得到取水溫升曲線如圖5。從圖5中可看出，隨著R增大，η變小，因此，適當(dāng)?shù)販p小R有利于減小η。

2 重疊式布置及其數(shù)值模擬

2.1 重疊式布置

重疊式排取水口實(shí)際上是一種水深方向的差位式布置，其三維布置圖如圖1所示。此時(shí)的差位是排取水口間的水深方向間距。影響T2的主要因素為：

（1）取排水口條件。ΔL（重疊式ΔL=0）、Δz、hl、bl、Ql、Tl、h2、b2、Q2、s、d以及取排水口與河道的銜接型式。

（2）河道條件。B、H、QU，來(lái)水溫度TU（密度ρU）。

（3）水面氣象條件。綜合散熱系數(shù)K，T∞（密度ρ∞）。

由于T2涉及因子太多，為了研究方便，盡量減少某些不太重要的物理量的變化，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，進(jìn)行如下假定：（1）取hl=h2=h0，bl=b2=b0；（2）排水口水平銜接出流，s≈0；（3）無(wú)額外取水要求，Ql=Q2=Q0。

2.2 模型建立

重疊式模型取排水管橫向間距為0，即Δx=0m，其他條件和差位式相同。邊界條件和差位式相同；不同于差位式，重疊式熱影響都在下游，上游無(wú)逆流熱水。取排水橫向截面溫度場(chǎng)見(jiàn)圖6（圖中單位為K），流場(chǎng)分布如圖7所示。通過(guò)圖6中的縱向截面可以看出，溫排水已經(jīng)下滲到取水口周圍，影響到了取水，增大了取水溫升；圖6的縱向流場(chǎng)圖則說(shuō)明熱水經(jīng)過(guò)下滲、擴(kuò)散及回流達(dá)到取水口，造成取水溫升上升。

2.3 重疊式布置對(duì)取水溫升的影響

2.3.1 取排水管深度差的影響

H保持不變，不同Δy情況下η變化的情況如圖8所示。從圖8中可看出：Δy由4增至5時(shí)，溫升變化不大；Δy由5增至6時(shí)，η迅速降低；而Δy由6增至7時(shí)，η的變化非常小，曲線基本接近平行x軸；Δy繼續(xù)增大，η已基本不再變化。因此，Δycr=6。

2.3.2 取排水管管徑的影響

Δy固定不變，改變?nèi)∨潘艿拦軓絉，其他條件不變，得到取水溫升曲線如圖9，隨著R的增大，η緩慢變小。

3 結(jié)語(yǔ)

差位式和重疊式是取排水的2種布置方式，從溫排水熱影響區(qū)域來(lái)講，差位式不僅能夠影響下游水域，由于取水泵的抽取作用，熱水回流至上游，對(duì)上游水環(huán)境熱影響比較大；從取水溫度影響因素來(lái)分析，差位式是由于熱水逆流再下滲作用影響取水溫度；重疊式無(wú)逆流作用，而是直接下滲、擴(kuò)散，從而導(dǎo)致取水溫度上升。

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